Экстремофилы и их промышленное применение

Экстремофилы — живые существа (в том числе бактерии и микроорганизмы), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды (крайние химические или физические показатели, низкие значения температуры, давления, кислотности, содержания кислорода и т. п.). По сравнению с этим, организмы, обитающие в более умеренной среде, могут быть названы мезофилами или нейтрофилами. 

Большой Призматический Источник в США - место обитания бактерий - экстремофилов, которым он обязан своей специфической окраской. 

Большой Призматический Источник в национальном парке Йеллоустоун имеет необычную окраску благодаря обитающим в нем бактериям - термофилам. В середине 70-х годов американский исследователь Томас Брок (Thomas D. Brock, 1926 - 2021)  обнаружил микробов в пробах из вулканических источников. За 20 лет до Брока русский ученый Сергей Иванович Кузнецов нашел этих микробов в гейзерах Камчатки, описал их, но не культивировал в лабораторных условиях. Брок же их получил, культивировал чистые культуры, выяснил, что они совершенно другие, особенные и что температуры, при которых они растут, тоже гораздо выше 70 °С (от 70 до 80 °С).  Все микробы были аэробными. В каждой экологической нише обитает свой класс экстремофилов, многие подпадают под несколько категорий сразу (полиэкстремофилы). Например, организмы, живущие внутри горячих скал глубоко под поверхностью Земли являются термофильными и барофильными литоавтотрофами, подобно Thermococcus barophilus. Полиэкстремофил, обитающий на вершине гор может оказаться радиоустойчивым ксерофилом, хорошо переносящим высокие уровни радиации от космического излучения, психрофилом и олиготрофным организмом. Полиэкстремофилы хорошо известны своей способностью переносить как высокие, так и низкие уровни рН.   

"Черные курильщики", горячие источники  на дне моря, тоже являются экосистемой для множества организмов. 

Горячие источники на дне океана, где вода насыщенная минералами быстро смешиваясь с вышележащими водными слоями, нагревается до 300 °С, достигая верхнего температурного предела, при котором возможна жизнь и размножение микроорганизмов. Такая высокая температура роста достигается только при высоком давлении, которое возможно под тяжелыми водными массами.

Древняя Земля - горячая, беcкислородная планета, чья литосфера была насыщена газами, бомбардируемая астероидами в активной  и молодой солнечной системе могла быть местом обитания первых термофилов, очень древней группы, рано ответвившийся от общей магистрали эволюции прокариот.  4 миллиарда лет назад не было кислорода, кроме того, было много жесткого ультрафиолета, который препятствовал развитию живых существ, так как разлагал ДНК. Гипотетически, термофилы-анаэробы могли создать ту биосферу, которая стала более комфортной для развития более сложных, в том числе многоклеточных форм жизни.  Их основным субстратом были глубины  химического  "супа" из различных веществ, так как солнечная радиация могла их сжечь, а органических соединений не было в достаточном количестве. 

Древняя Земля была горячей планетой с плотной атмосферой и активным вулканизмом. 

Уникальные умения выжить в тяжелых условиях делают экстремофилов интереснейшей находкой для разных областей промышленности. В России естественная лаборатория для изучения архей - термофилов находится в Кроноцком Заповеднике на Камчатке. В каждом источнике обитают уникальные микробные сообщества. Из нескольких граммов микрофлоры можно вырастить разные объемы, от пробирки до биореактора. Ученые из множества лабораторий экспериментируют с экстремофилами и их способностью перерабатывать солому, древесину, нефтепродукты, что в будущем может привести к созданию "вакцины от пластика"  - культуры микроорганизмов, способной решить проблему загрязнения экосистемы пластиковыми отходами. Некоторые ферменты архей окисляют углекислый газ и образуют водород, что применимо в тяжелой промышленности.  

Термоалкалифильная каталаза инициирующая распад перекиси водорода на кислород и воду, была выделена из организма Thermus brockianus, также найденного в Йеллоустонском национальном парке исследователями национальной лаборатории Айдахо. Каталаза действует в диапазоне температур от +30 °C до +94 °С и значении рН 6-10. Она чрезвычайно стабильна по сравнению с другими каталазами при высоких температурах и рН. В сравнительном исследовании, каталаза Т. brockianus показала период полураспада 15 дней при +80 °С и рН 10, а каталаза, полученная из Aspergillus niger имела период полураспада 15 секунд при тех же условиях. Каталазе найдётся применение в удалении перекиси водорода в промышленных процессах, таких как целлюлозно-бумажное и текстильное отбеливание, пищевая пастеризация и обеззараживание поверхности упаковок пищевых продуктов.

ДНК-модифицирующие ферменты, такие как термостабильная ДНК полимераза и некоторые ферменты, используемые в клинической диагностике и при разжижении крахмала, производятся на коммерческой основе несколькими биотехнологическими компаниями. В медицине ДНК - полимераза, термостабильный фермент, применяется при чтении генетического кода, которая собирает цепочку ДНК. Для анализа ДНК нужно размножить фрагмент цепочки так, чтобы она вся была идентична, была такого же состава, как первичное небольшое количество ДНК. Это делается при помощи фермента из термофильных микроорганизмов.

Крайние термофилы способны к генетической трансформации, а среди экстремофилов есть более 65 видов, способных к трансформации. Между клетками термофилов образуются цитоплазматические мостики, которые используются для переноса ДНК от одной клетки к другой в любом направлении. 

Интересные свойства обнаруживают не только термофилы, переносящие высокие температуры. Бактерия Deinococcus radiodurans приспособилась к более "экзотическому" воздействию: радиации. Это один из самых известных радиорезистентных организмов. Являясь очень живучим полиэкстрмофилом, бактерия хорошо переносит не только ионизирующее излучение, но еще холод, обезвоживание, вакуум и кислоту. D. radiodurans способна производить генетическую трансформацию. Клетки реципиента могут восстанавливать повреждения ДНК в трансформирующей ДНК донора, вызванные УФ излучением, так же эффективно, как они восстанавливают клеточную ДНК, когда сами клетки облучаются.  

Исследователи продолжают искать различные виды экстремофилов, изучая пробы в самых разных земных оболочках - от глубин литосферы до атмосферных высот, где спутники и МКС могут набирать на корпуса и на сами пробоотборники фрагменты микрофлоры и отдельные колонии микроорганизмов, составляющие самый верхний фронт распределения жизни на земле.